| تعداد نشریات | 282 |
| تعداد نشریات سازمان | 80 |
| تعداد شماره‌ها | 3,251 |
| تعداد مقالات | 35,917 |
| تعداد مشاهده مقاله | 54,574,469 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 93,695,703 |
مقایسه ویژگی‌های نیتروسلولز بدست آمده از سلولز و نانو سلولز | ||
| تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران | ||
| مقاله 7، دوره 40، شماره 4 - شماره پیاپی 93، دی 1404، صفحه 360-377 اصل مقاله (910.78 K) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22092/ijwpr.2025.369859.1808 | ||
| نویسندگان | ||
| نورالدین نظرنژاد* 1؛ مهران پرستار2؛ مهران سینکی3 | ||
| 1دانشیار، گروه صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران | ||
| 2دانشجوی دکتری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران | ||
| 3دانشجوی کارشناسی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران | ||
| چکیده | ||
| سابقه و هدف: نیترو سلولز، یکی از مشتقات مهم سلولز، به دلیل ویژگی‌هایی مانند واکنش‌پذیری بالا، قابلیت انحلال در حلال‌های آلی، توانایی تشکیل فیلم و اشتعال‌پذیری کنترل‌شده، در صنایع مختلف مانند تولید مواد منفجره، پوشش‌های پلیمری، فیلم‌های عکاسی، داروسازی و زیست پزشکی کاربرد گسترده‌ای دارد. خواص نهایی نیترو سلولز تا حد زیادی به ماهیت ماده اولیه سلولزی و شرایط فرایند نیتراسیون وابسته است. در دهه‌های گذشته، آلفاسلولز با خلوص بالا، به‌عنوان ماده اولیه استاندارد برای سنتز نیترو سلولز شناخته شده است، اما ظهور نانو الیاف سلولز به‌ویژه نانوالیاف سلولز (CNF) با ساختار نانومتری، سطح ویژه بالا و واکنش‌پذیری بیشتر، افق جدیدی را در توسعه نیتروسلولزهای اصلاح‌شده گشوده است. با توجه به تفاوت‌های ساختاری اساسی بین آلفاسلولز و نانوالیاف سلولز، بررسی اثر نوع ماده اولیه بر ویژگی‌های شیمیایی، فیزیکی و حرارتی نیترو سلولز از اهمیت بالایی برخوردار است. هدف این پژوهش، مقایسه سیستماتیک نیتروسلولزهای تولیدشده از آلفاسلولز و نانوالیاف سلولز و تحلیل دقیق عملکرد آن‌ها در شرایط مختلف نیتراسیون است. مواد و روش‌ها: آلفاسلولز از کاه گندم، پس از انجام پیش‌تصفیه اسیدی، خمیر سازی فرایند پخت سودا-آنتراکینون، رنگبری با دی اکسید کلر و نهایتاً استفاده از هیدروکسید سدیم 5/17% جهت حذف همی سلولوزهای باقیمانده به دست آمد. نانوالیاف سلولز با قطر 50–10 نانومتر به‌صورت تجاری تهیه شد. فرایند نیتراسیون با استفاده از مخلوط اسید نیتریک و اسیدسولفوریک با نسبت حجمی 3:1 و در دمای 30 درجه سانتی‌گراد به مدت 45 دقیقه انجام شد. سه سطح غلظت اسید نیتریک (20، 40 و 80 میلی‌لیتر) برای بررسی اثر شدت نیتراسیون در نظر گرفته شد. پس از واکنش، محصولات به‌دقت شست‌وشو و خشک شدند. سپس ویژگی‌هایی مانند درجه استخلاف (DS)، ویسکوزیته، درجه پلیمریزاسیون (DP)، طیف‌سنجی FTIR، پایداری حرارتی به روش TGA و سرعت سوختن مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج: نیتروسلولز حاصل از آلفاسلولز (NC) در مقایسه با نیتروسلولز نانوالیاف سلولز (NNC) درجه استخلاف بالاتری داشت. در NC، مقدار DS از 151/1 در غلظت 20 میلی‌لیتر اسید نیتریک به 54/1 در 80 میلی‌لیتر افزایش یافت، درحالی‌که در NNC مقدار DS بین 088/1 تا 182/1 متغیر بود. ویسکوزیته NC از 8/359 به 9/325 سانتیپواز با افزایش غلظت اسید کاهش یافت، درحالی‌که در نمونه‌های NNC به دلیل رفتار پلاستیکی، اندازه‌گیری ممکن نبود. درجه پلیمریزاسیون (DP) در NC از 311 در غلظت پایین اسید به 279 در غلظت بالا کاهش یافت. طیف‌سنجی FTIR کاهش جذب باندهای O–H در محدوده cm⁻¹3200–3600 و افزایش شدت باندهای نیترو در cm⁻¹1250–1650 را نشان داد. تحلیل گرماوزن‌سنجی (TGA) بیانگر پایداری حرارتی بالاتر NNC بود، به‌طوری‌که دمای تجزیه اصلی آن از °C200–230 در NC به °C240–270 در NNC افزایش یافت. در آزمون سرعت سوختن، نمونه‌های NC با میزان متوسط 8/2 mm/s سریع‌تر از NNC با نرخ mm/s 9/1 سوختند که بیانگر واکنش‌پذیری و اشتعال‌پذیری بیشتر نیتروسلولز آلفاسلولز است. نتیجه‌گیری: نوع ماده اولیه سلولزی، تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر خواص نهایی نیترو سلولز دارد. نیتروسلولزهای تهیه‌شده از آلفاسلولز، به دلیل ساختار یکنواخت‌تر و دسترسی آسان‌تر گروه‌های هیدروکسیل، درجه استخلاف و نرخ سوختن بالاتری دارند که آن‌ها را برای کاربردهای انفجاری و پوششی مناسب می‌سازد. در مقابل، نانوالیاف سلولز به‌دلیل ساختار نانومتری، سطح تماس بیشتر و رفتار پیچیده‌تر، نیتروسلولزی با پایداری حرارتی بهتر و واکنش‌پذیری کنترل‌شده تولید می‌کند که برای کاربردهای ایمن‌تر و دقیق‌تر مناسب است. این یافته‌ها می‌توانند به بهینه‌سازی تولید نیترو سلولز و توسعه کاربردهای نوآورانه در حوزه انرژی، زیست پزشکی و کامپوزیت‌های پیشرفته کمک شایانی کنند. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| پایداری حرارتی؛ درجه استخلاف؛ واکنش‌پذیری سطح؛ سرعت سوختن؛ سلولز اصلاح‌شده؛ نانوساختار | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Comparison of the properties of nitrocellulose obtained from cellulose and nanocellulose | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Noureddin Nazarnezhad1؛ Mehran Parastar2؛ Mehran Sinaki3 | ||
| 1Associated Professor, Wood and Cellulose Product Department, Sari Agricultural science and Natural Resources University, Sari, Iran | ||
| 2PhD student, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran | ||
| 3Bachelor's student, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Background and Objectives: Nitrocellulose, a key cellulose derivative, is widely used in various industries such as explosives, polymeric coatings, photographic films, pharmaceuticals, and biomedical applications due to its high reactivity, solubility in organic solvents, film-forming capability, and controlled combustibility. The applied properties of nitrocellulose are highly dependent on the nature of the cellulose raw material and the nitration conditions. Traditionally, high-purity alpha-cellulose has used as the standard precursor for nitrocellulose production. However, the emergence of cellulose nanofibers (CNF), at nanoscale dimensions, high surface area, and enhanced reactivity, has opened new opportunities for producing modified nitrocellulose with advanced functionalities. Given the fundamental structural differences between alpha-cellulose and nanofibers, investigating how the source material affects the chemical, physical, and thermal properties of nitrocellulose is of significant interest. The aim of this study is to systematically compare nitrocellulose produced from alpha-cellulose and cellulose nanofibers and to evaluate their performance under various nitration conditions. Materials and Methods: Alpha-cellulose was extracted from wheat straw through acid pre-extraction, soda-anthraquinone pulping, TCF bleaching and final sodium hydroxide (17.5%) extraction. Commercial cellulose nanofibers with diameters of 10–50 nm were used. The nitration process was carried out using a nitric acid–sulfuric acid mixture (3:1 v/v) at 30°C for 45 minutes. Three concentrations of nitric acid (20, 40, and 80 mL) were used to examine the effect of nitration intensity. After the reaction, all samples were thoroughly washed and dried. The resulting nitrocellulose samples were evaluated in terms of degree of substitution (DS), viscosity, degree of polymerization (DP), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), and burning rate. Results: The nitrocellulose derived from alpha-cellulose (NC) exhibited a higher degree of substitution (DS) compared to that obtained from cellulose nanofibers (NNC). In the NC samples, the DS increased from 1.151 at 20 mL nitric acid concentration to 1.454 at 80 mL, while in the NNC samples, the DS values ranged between 1.088 and 1.182. The viscosity of NC decreased from 359.8 cP to 325.9 cP with increasing acid concentration, whereas the viscosity of NNC samples could not be measured due to their plastic-like behavior. The degree of polymerization (DP) of NC decreased from 311 at low acid concentration to 279 at higher concentration. FTIR spectroscopy revealed a reduction in the absorption intensity of O–H bands within the range of 3200–3600 cm⁻¹ and an increase in the intensity of nitro group bands between 1250–1650 cm⁻¹. Thermogravimetric analysis (TGA) indicated higher thermal stability for NNC, as its main decomposition temperature shifted from 200–230 °C in NC to 240–270 °C in NNC. In the burning rate test, NC samples burned faster, with an average rate of 2.8 mm/s compared to 1.9 mm/s for NNC, demonstrating the higher reactivity and flammability of alpha-cellulose-based nitrocellulose. Conclusion: The type of cellulose precursor plays a critical role in determining the final properties of nitrocellulose. Nitrocellulose prepared from alpha-cellulose, due to its uniform structure and greater accessibility of hydroxyl groups, exhibited higher degrees of substitution and faster burning rates, making it suitable for explosive and coating applications. In contrast, cellulose nanofibers, owing to their nanoscale architecture and larger surface area, produced nitrocellulose with enhanced thermal stability and controlled reactivity, suitable for safer and more advanced uses. These findings can contribute to the optimization of nitrocellulose synthesis and the design of innovative materials for emerging applications in energy, biomedicine, and advanced composites. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Thermal stability, Degree of substitution, Surface reactivity, Burning rate, Modified cellulose, Nanostructure | ||
| مراجع | ||
|
-Alinat, E., Delaunay, N., Archer, X. & Gareil, P., 2015. Correlating molar masses of nitrocelluloses with their intrinsic viscosities measured using capillary electrophoresis instrumentation. Carbohydrate polymers, 128, 99-104. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015. 04.013.
-Amelia, S.T.W., Widiyastuti, W., Nurtono, T., Setyawan, H., Widyastuti, W. & Ardhyananta, H., 2024. Acid hydrolysis roles in transformation of cellulose-I into cellulose-II for enhancing nitrocellulose performance as an energetic polymer. Cellulose, 31(16), 9583-9595. https://doi.org/10.1007/s10570-024-06173-4.
-ASTM International. 1994. ASTM D4795–94: Standard test method for nitrogen content of cellulose nitrate (nitrocellulose). West Conshohocken, PA: ASTM International. https://doi.org/10.1520/D4795-94
-ASTM International. 2022. ASTM D635–22: Standard test method for rate of burning and/or extent and time of burning of plastics in a horizontal position. West Conshohocken, PA: ASTM International
-Budaeva, V.V., Gismatulina, Y.A., Mironova, G.F., Skiba, E.A., Gladysheva, E.K., Kashcheyeva, E. I., ... & Sakovich, G.V., (2019. Bacte rialnanocellulose nitrates. Nanomateriasl, 9(12), 1694. https://doi. org/10. 3390/ nano9121694.
-De la Ossa, M.Á.F., Torre, M. & García-Ruiz, C., 2012. Determination of nitrocellulose by capillary electrophoresis with laser-induced fluorescence detection. Analytica chimica acta, 745, 149-155. https://doi.org/10.1016/ j.aca.2012.07.032.
-Fallah, F., Khorasani, M. & Ebrahimi, M., 2018. Factors affecting the properties of nitrocellulose emulsions: A comparative study. Carbohydrate Polymers, 189, 267-272. https://doi.org/10. 1016/j. carbpol.2017.11.002.
-Franck, B., Hörmann, H. & Scheibe, S., 1957. Einfluss Einiger Mesomeriefähiger Substituenten Auf Die Asymmetrische NO2‐Valenzschwingung Aromatischer Nitroverbindungen. Chemische Berichte, 90(3), 330-338. https://doi.org/10.1002/cber.1957090 0305.
-Gismatulina, Y.A. & Budaeva, V.V., 2024. Cellulose nitrates-blended composites from bacterial and plant-based celluloses. Polymers, 16(9), 1183.
-Ioelovich, M., 2024. Thermodynamic analysis of cellulose nitration. World Journal of Advanced Research and Reviews, 21(3), 485-494. https://doi.org/10.30574/wjarr.2024.21.3.0772.
-Jesuet, M.S.G., Musa, N.M., Idris, N.M., Musa, D.N.S. & Bakansing, S.M., 2019. Properties of Nitrocellulose from Acacia mangium. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1358, No. 1, p. 012035). IOP Publishing. http:// doi.org/10.1088/1742-6596/1358/1/012035
-John, Josmi, K.S. Archana, Ashley Mariam Thomas, Rose Leena Thomas, Jeena Thomas, Vinoy Thomas, and Unnikrishnan, N.V., 2014. Nitrocellulose Unveiled: A Brief Exploration of Recent Research Progress. Sustainable Chemical Engineering (2024): 146-167. https://doi.org/10.37256/sce.5120243950.
-Karami, M., Resalati, H., Saraean, A. and Dehghani, M., 2017. Production of alpha-cellulose from bagasse and evaluation its characteristics. Journal of Wood and Forest Science and Technology, 24(3), 183-196. doi: 10.22069/jwfst.2017.3857
-Khalid, M.Y., Al Rashid, A., Arif, Z.U., Ahmed, W. & Arshad, H., 2021. Recent advances in nanocellulose-based different biomaterials: types, properties, and emerging applications. Journal of Materials Research and Technology, 14, 2601-2623. https://doi.org/ 10.1016/j.jmrt.2021.07.128.
-Klemm, D., Kramer, F., Moritz, S., Lindström, T., Ankerfors, M., Gray, D. & Dorris, A., 2011. Nanocelluloses: a new family of nature‐based materials. Angewandte Chemie International Edition, 50(24), 5438-5466. https://doi.org/ 10.1002/anie.201001273.
-Kuhn, L.P., 1949. The Infrared Spectra of Carbohydrates. https://doi.org/10.1016/S0096-5332(08)60203-9.
-Liang, C.Y., & Marchessault, R.H., 1959. Infrared spectra of crystalline polysaccharides. II. Native celluloses in the region from 640 to 1700 cm.− 1. Journal of polymer science, 39(135), 269-278. https://doi.org/10.1002/pol.1959.1203913 521.
-Luo, Q., Zhu, J., Li, Z., Duan, X., Pei, C. & Mao, C., 2018. The solution characteristics of nitrated bacterial cellulose in acetone. New Journal of Chemistry, 42(22), 18252-18258. https://doi.org /10. 1039/C8NJ02018C
-Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J. & Youngblood, J., 2011. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews, 40(7), 3941-3994. https://doi.org/10. 1039/C0CS00108B.
-Morris, E., Pulham, C.R. & Morrison, C.A., 2023. Structure and properties of nitrocellulose: approaching 200 years of research. RSC advances, 13(46), 32321-32333. DOI: 10.1039/D3RA05457H.
-Morris, E., Pulham, C.R. & Morrison, C.A., 2025. Towards understanding and directing the nitration of cellulose. Cellulose, 32(3), 1513-1526.
-Nasir, M., Hashim, R., Sulaiman, O. & Asim, M., 2017. Nanocellulose: Preparation methods and applications. In Cellulose-reinforced nanofibre composites (pp. 261-276). Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100957-4.00011-5.
-Nyquist, R.A., 2001. Interpreting infrared, Raman, and nuclear magnetic resonance spectra (Vol. 2). Academic Press., Pages 173-230.
-Pourmortazavi, S.M., Hosseini, S.G., Rahimi-Nasrabadi, M., Hajimirsadeghi, S.S. & Momenian, H., 2009. Effect of nitrate content on thermal decomposition of nitrocellulose. Journal of hazardous materials, 162(2-3), 1141-1144. https://doi.org/ 10.1016/ j.jhazmat.2008.05.161.
-Rizkiansyah, R.R., Mardiyati, Y., Hariyanto, A., & Dirgantara, T., 2024. Selecting appropriate cellulose morphology to enhance the nitrogen content of nitrocellulose. RSC advances, 14(38), 28260-28271.
-Saito, Y., Okada, K., Endo, T. & Sakakibara, K., 2023. Highly surface-selective nitration of cellulose nanofibers under mildly acidic reaction conditions. Cellulose, 30(16), 10083-10095. https://doi.org/10.1007/s10570-023-05488-y.
-Sun, D.P., Ma, B., Zhu, C.L., Liu, C.S. & Yang, J.Z., 2010. Novel nitrocellulose made from bacterial cellulose. journal of Energetic Materials, 28(2), 85-97. https://doi.org/10.1080/ 07370650903222551.
-Sun, Q. & Qiu, Y., 2022. Effects Of Nitric Acid and Sulfuric Acid on Thermal Stability of Nitrocellulose. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1322929/v1.
-Tahir, D., Karim, M.R.A., Hu, H., Naseem, S., Rehan, M., Ahmad, M. & Zhang, M., 2022. Sources, chemical functionalization, and commercial applications of nanocellulose and nanocellulose-based composites: a review. Polymers, 14(21), 4468. https://doi.org/ 10.3390/polym14214468.
-Trache, D., Tarchoun, A.F., Derradji, M., Hamidon, T.S., Masruchin, N., Brosse, N. & Hussin, M.H., 2020. Nanocellulose: from fundamentals to advanced applications. Frontiers in chemistry, 8, 392. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00392.
-Tsuboi, M., 1957. Infrared spectrum and crystal structure of cellulose. Journal of polymer science, 25(109), 159-171. https://doi.org/ 10.1002/pol.1957.1202510904.
-Wang, Q., Gu, Y., Ren, C., Liu, H. & Su, P., 2021, March. Effect of acid concentration on thermal stability of nitrocellulose (NC) for civil use. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 714, No. 2, p. 022018). IOP Publishing. https://doi.org /10.1088/1755-1315/714/2/022018
-Xu, Y., Ding, H.G. & Shen, Q., 2007. Influence of the Degree of Polymerization on surface Properties of Cellulose. Chinese Cellulose Science and Technology, 15, 53-56.
-Yusuf, M.O., 2023. Bond characterization in cementitious material binders using Fourier-transform infrared spectroscopy. Applied Sciences, 13(5), 3353. https://doi.org/10.3390/ app13053353.
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 294 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 185 |
||